Генератор Маркса - Marx generator

Небольшая демонстрация генератора Маркса (башня справа) . Это десятиступенчатый генератор. Слева - основной разряд. Девять искр меньшего размера, которые можно увидеть на изображении, - это искровые промежутки, которые последовательно соединяют заряженные конденсаторы.

Генератор Маркса представляет собой электрическую цепь , впервые описанный Эрвином Отто Маркса в 1924 году его цель заключается в генерации высоко- напряжения импульса от источника низкого напряжения постоянного тока. Генераторы Маркса используются в экспериментах по физике высоких энергий, а также для моделирования воздействия молнии на линии электропередач и авиационное оборудование. Банк из 36 генераторов Маркса используется Sandia National Laboratories для генерации рентгеновских лучей в своей Z-машине .

Принцип действия

Схемы генератора Маркса; Хотя левый конденсатор имеет наибольшую скорость заряда, генератору обычно позволяют заряжаться в течение длительного периода времени, и все конденсаторы в конечном итоге достигают одинакового зарядного напряжения.

Схема генерирует импульс высокого напряжения, заряжая несколько конденсаторов параллельно, а затем внезапно соединяя их последовательно. См. Схему выше. Сначала n конденсаторов ( C ) заряжаются параллельно напряжению V C от источника постоянного тока через резисторы ( R C ). На искровые промежутки, используемые в качестве переключателей, подается напряжение V C , но напряжение пробоя в промежутках превышает V C , поэтому все они ведут себя как разомкнутые цепи, пока заряжаются конденсаторы. Последний разрыв изолирует выход генератора от нагрузки; без этого промежутка нагрузка препятствовала бы зарядке конденсаторов. Для создания выходного импульса первый искровой разрядник разрушается (срабатывает); пробой эффективно закорачивает промежуток, помещая первые два конденсатора последовательно, подавая напряжение около 2 В C на второй искровой промежуток. Следовательно, второй зазор выходит из строя, чтобы добавить третий конденсатор в «стопку», и процесс продолжает последовательно разрушать все зазоры. Этот процесс искрового разрядника, последовательно соединяющего конденсаторы для создания высокого напряжения, называется монтажом . Последний разрыв соединяет выход последовательной «стопки» конденсаторов с нагрузкой. В идеале выходное напряжение должно быть нВ C , количество конденсаторов, умноженное на напряжение зарядки, но на практике значение меньше. Обратите внимание, что ни один из зарядных резисторов R c не подвергается воздействию большего, чем зарядного напряжения, даже когда конденсаторы установлены. Доступный заряд ограничен зарядом конденсаторов, поэтому выходной сигнал представляет собой короткий импульс, когда конденсаторы разряжаются через нагрузку. В какой-то момент искровые промежутки перестают проводить ток, и источник низкого напряжения снова начинает заряжать конденсаторы.

Принцип умножения напряжения путем параллельной зарядки конденсаторов и их последовательной разрядки также используется в схеме умножителя напряжения , используемой для создания высокого напряжения для лазерных принтеров и телевизоров с электронно-лучевой трубкой , которая имеет сходство с этой схемой. Одно отличие состоит в том, что умножитель напряжения питается от переменного тока и выдает постоянное выходное напряжение постоянного тока, тогда как генератор Маркса выдает импульс.

Генератор Маркса, используемый для испытания высоковольтных компонентов электропередачи в Техническом университете Дрездена, Германия
Генератор Маркса на выставке коммунальных услуг, Лейпциг, Восточная Германия, 1954 г.
10-ступенчатый генератор Маркса 600 кВ в работе
Генератор Маркса 800 кВ в лаборатории Национального технологического института, Дургапур, Индия.

Оптимизация

Для выдачи импульсов с временем нарастания 5 нс генератор Маркса часто встраивают в коаксиальный волновод . В искровые промежутки размещены как можно ближе вместе для достижения УФ - света обмен на минимальный джиттер. Высокое напряжение постоянного тока идет снизу, импульсное высокое напряжение выходит наверху в коаксиальную линию. Двойная линия сфер посередине - это искровые промежутки, все остальные сферы предназначены для предотвращения коронного разряда . Синий = водяной конденсатор . Серый = цельный металл. Черный = тонкая проволока. Внешний проводник также функционирует как сосуд, так что газ и давление могут быть оптимизированы.

Правильная работа зависит от выбора конденсатора и времени разряда. Время переключения может быть улучшено путем легирования из электродов с радиоактивными изотопами цезий 137 или никелем 63, и ориентирования искровых промежутков , так что ультрафиолетовый свет от переключателя обжига искрового промежутка освещает оставшиеся открытые зазоры свеч. Изоляция создаваемого высокого напряжения часто достигается путем погружения генератора Маркса в трансформаторное масло или диэлектрический газ высокого давления, такой как гексафторид серы (SF 6 ).

Обратите внимание: чем меньше сопротивление между конденсатором и источником питания для зарядки, тем быстрее он будет заряжаться. Таким образом, в этой конструкции те, кто находится ближе к источнику питания, будут заряжаться быстрее, чем те, кто находится дальше. Если генератору дать возможность заряжаться достаточно долго, все конденсаторы будут иметь одинаковое напряжение.

В идеальном случае при замыкании переключателя, ближайшего к источнику питания для зарядки, на второй переключатель подается напряжение 2 В. Затем этот переключатель замкнется, и на третий переключатель будет подано напряжение 3 В. Затем этот переключатель замкнется, что приведет к каскадному снижению напряжения генератора, которое выдает нВ на выходе генератора (опять же, только в идеальном случае).

Первый переключатель может самопроизвольно выйти из строя (иногда это называется саморазрывом ) во время зарядки, если абсолютная синхронизация выходного импульса не важна. Однако он обычно преднамеренно срабатывает после того, как все конденсаторы в банке Маркса достигли полного заряда, либо за счет уменьшения расстояния зазора, за счет импульсного включения дополнительного триггерного электрода (такого как тригатрон ), либо за счет ионизации воздуха в зазоре с помощью импульсного лазером , или уменьшив давление воздуха в зазоре.

Зарядные резисторы Rc должны быть правильно подобраны как для зарядки, так и для разрядки. Иногда их заменяют индукторами для повышения эффективности и более быстрой зарядки. Во многих генераторах резисторы сделаны из пластиковых или стеклянных трубок, заполненных разбавленным раствором сульфата меди . Эти жидкие резисторы преодолевают многие проблемы, с которыми сталкиваются более традиционные твердые резистивные материалы, которые имеют тенденцию со временем снижать свое сопротивление в условиях высокого напряжения.

Короткие импульсы

Генератор Маркса также используется для генерации коротких мощных импульсов для ячеек Поккельса , возбуждения TEA-лазера , воспламенения обычного взрывчатого вещества ядерного оружия и радиолокационных импульсов.

Краткость относительна, так как время переключения даже высокоскоростных версий составляет не менее 1 нс, и поэтому многие маломощные электронные устройства работают быстрее. При проектировании высокоскоростных цепей важна электродинамика, и генератор Маркса поддерживает это, поскольку он использует короткие толстые провода между его компонентами, но, тем не менее, конструкция по существу является электростатической. Когда первый зазор выходит из строя, чистая электростатическая теория предсказывает, что напряжение на всех ступенях возрастает. Однако каскады соединены емкостным образом с землей и последовательно друг с другом, и, таким образом, каждый каскад испытывает рост напряжения, который тем слабее, чем дальше каскад от переключающего; каскад, смежный с переключающим, поэтому встречает наибольшее повышение напряжения и, таким образом, переключается по очереди. По мере переключения большего количества ступеней напряжение на остальных возрастает, что ускоряет их работу. Таким образом, повышение напряжения, подаваемое на первую ступень, одновременно усиливается и нарастает.

С точки зрения электродинамики, когда первая ступень выходит из строя, она создает сферическую электромагнитную волну, вектор электрического поля которой противоположен статическому высоковольтному напряжению. Это движущееся электромагнитное поле имеет неправильную ориентацию для запуска следующей стадии и может даже достичь нагрузки; такой шум перед кромкой нежелателен во многих коммутационных приложениях. Если генератор находится внутри трубки диаметром (скажем) 1 м, для стабилизации поля в статических условиях требуется около 10 отражений волн, что ограничивает ширину переднего фронта импульса 30 нс или более. Меньшие устройства, конечно, быстрее.

Скорость переключателя определяется скоростью носителей заряда, которая становится выше с повышением напряжения, и током, доступным для зарядки неизбежной паразитной емкости. В твердотельных лавинных устройствах высокое напряжение автоматически приводит к сильному току. Поскольку высокое напряжение подается только на короткое время, твердотельные переключатели не будут чрезмерно нагреваться. В качестве компенсации более высоких напряжений более поздние ступени также должны нести меньший заряд. Охлаждение ступени и зарядка конденсатора также хорошо сочетаются друг с другом.

Варианты сцены

Лавинные диоды могут заменить искровой разрядник для ступеней напряжения менее 500 вольт. Носители заряда легко покидают электроды, поэтому дополнительная ионизация не требуется, а джиттер низкий. У диодов также более длительный срок службы, чем у искровых разрядников.

Устройство быстрого переключения представляет собой лавинный транзистор NPN, снабженный катушкой между базой и эмиттером. Транзистор изначально выключен, и на его переходе коллектор-база присутствует около 300 вольт. Это напряжение достаточно велико, чтобы носитель заряда в этой области мог создать больше носителей за счет ударной ионизации, но вероятность этого слишком мала, чтобы образовалась настоящая лавина; вместо этого протекает несколько зашумленный ток утечки. Когда предыдущая ступень переключается, переход эмиттер-база переводится в прямое смещение, а переход коллектор-база переходит в режим полной лавины, поэтому носители заряда, введенные в область коллектор-база, умножаются в цепной реакции. Как только генератор Маркса полностью сработал, напряжение повсюду падает, лавины каждого переключателя прекращаются, его согласованная катушка переводит переход база-эмиттер в обратное смещение, а низкое статическое поле позволяет оставшимся носителям заряда стекать из его перехода коллектор-база.

Приложения

Одно из применений - это так называемое " товарное переключение" ячейки Поккельса . Используются четыре генератора Маркса, каждый из двух электродов ячейки Поккельса соединен с генератором положительных импульсов и генератором отрицательных импульсов. Сначала включаются два генератора противоположной полярности, по одному на каждом электроде, чтобы зарядить ячейку Поккельса до одной полярности. Это также частично зарядит два других генератора, но не запустит их, потому что они были предварительно заряжены только частично. Утечку через резисторы Маркса необходимо компенсировать небольшим током смещения через генератор. На задней кромке товарного вагона запускаются два других генератора, чтобы «перевернуть» ячейку.

Генераторы Маркса используются для подачи высоковольтных импульсов для испытания изоляции электрического оборудования, такого как большие силовые трансформаторы или изоляторы, используемые для поддержки линий электропередачи. Применяемое напряжение может превышать два миллиона вольт для высоковольтного оборудования.

В пищевой промышленности генераторы Маркса используются для обработки импульсных электрических полей, чтобы вызвать улучшение резки или ускорение сушки картофеля и других фруктов и овощей.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Бауэр, Г. (1 июня 1968 г.) «Высоковольтный наносекундный импульсный генератор с низким импедансом», Журнал научных инструментов , Лондон, Великобритания. т. 1. С. 688–689.
  • Graham et al. (1997) «Компактный генератор Маркса 400 кВ с общим корпусом переключателя», Конференция по импульсной мощности, 11-й ежегодный сборник технических документов , том. 2. С. 1519–1523.
  • Ness, R. et al. (1991) «Компактные мегавольтные генераторы Маркса с репутацией», IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 38, № 4, с. 803–809.
  • Обара, М. (3–5 июня 1980 г.) "Полосовой многоканальный генератор Маркса с поверхностным искровым зазором для лазеров быстрого разряда", Отчет конференции IEEE о Четырнадцатом симпозиуме по импульсным модуляторам мощности 1980 г. , стр. 201–208 .
  • Шкаруба и др. (Май – июнь 1985 г.) "Генератор Аркадьева-Марка с емкостной связью", Instrum Exp Tech vol. 28, № 3, часть 2, стр. 625–628, XP002080293.
  • Sumerville, IC (11–24 июня 1989 г.) "Простой компактный 1 МВ, 4 кДж Маркс", Труды конференции по импульсной мощности, Монтерей, Калифорния, конф. 7. С. 744–746, XP000138799.
  • Тернбулл, С.М. (1998) «Разработка высоковольтного генератора Маркса PFN с высоким PRF», Протокол конференции 23-го Международного симпозиума по модуляции мощности 1998 года , стр. 213–16.

внешние ссылки